胡 斌

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300308）

當前，儲能技術(shù)種類多樣、應用廣泛。國內(nèi)外關(guān)于儲能技術(shù)，已經(jīng)形成了多部標準，對于儲能元器件本體、模組，儲能系統(tǒng)變流器，電池管理系統(tǒng)(BMS)或電容管理系統(tǒng)(CMS)，運行指標，安全性要求等多個方面進行了系統(tǒng)的闡釋和規(guī)定，很好地規(guī)范了產(chǎn)品生產(chǎn)以及工程設(shè)計、建設(shè)、運營等各個環(huán)節(jié)。

在城市軌道交通領(lǐng)域，儲能技術(shù)主要應用于以下兩方面。

1) 列車剩余再生制動能量的存儲和再利用。蓄電池儲能技術(shù)的優(yōu)勢在于蓄電池本身具有很大的能量密度，這是其他儲能元件難以企及的，在需要儲備較多能量的場合采用蓄電池儲能非常合適。但是功率密度相對小、壽命短、廢棄蓄電池難以處理是限制蓄電池技術(shù)進一步發(fā)展的短板，特別是在城市軌道交通領(lǐng)域，車輛的牽引和制動能量多為脈沖型，具有功率大、持續(xù)時間短的特點。所以，將蓄電池應用于城市軌道交通顯得并不十分適合。相對地，超級電容器具備功率密度高、充放電速度快、循環(huán)壽命長、低溫性能好等特點。在目前的技術(shù)條件下，對于城軌列車這種負荷短時間內(nèi)變化較大的牽引運控系統(tǒng)，是更契合其能量需求的儲能元件。

北京試點應用了超級電容儲能、飛輪儲能和超級電容+電池混合儲能等技術(shù)，青島、廣州、深圳等地試點應用了超級電容儲能技術(shù)，目前尚未有全線采用儲能型列車再生制動能量地面利用系統(tǒng)的工程應用先例。

2) 車載儲能系統(tǒng)，作為列車牽引動力來源的一種形式，受儲能元器件本身的能量密度限制，目前多應用于有軌電車等中低運量的軌道交通形式，儲能元器件多采用超級電容或蓄電池，如廣州海珠線有軌電車、深圳龍華線有軌電車采用超級電容儲能型，南京麒麟線有軌電車采用蓄電池儲能型。

住建部于2019年頒布了行業(yè)標準CJJ/T295-2019《城市有軌電車工程設(shè)計標準》，在其中的車輛篇章，規(guī)定了有軌電車的供電方式可采用“車載儲能裝置無接觸網(wǎng)供電”；牽引供電篇章規(guī)定，有軌電車牽引供電制式可采用“車載儲能裝置供電、鋼軌或電纜回流方式”；從而為車載儲能系統(tǒng)在有軌電車行業(yè)的應用，提供了標準依據(jù)。文獻[1-2]針對車載儲能系統(tǒng)對車輛本身和供電系統(tǒng)的影響進行了分析，本文不再詳述。

綜合成本、安全性、節(jié)能效果等方面的考慮，中國尚未在城軌供電系統(tǒng)中大規(guī)模應用儲能技術(shù)，可參考的對口標準，也僅有 GB/T 36287-2018《城市軌道交通列車再生制動能量地面利用系統(tǒng)》[3]，未形成行業(yè)內(nèi)認可度高的行業(yè)標準或企業(yè)標準；相對地，國際電工委員會 IEC和電氣與電子工程師協(xié)會 IEEE分別于 2017年頒布了 IEC 62924(2017-01)Railway applications-fixed installations-stationary energy storage system for DC traction systems[4]和IEEE 1887-2017IEEE guide for wayside energy storage system for DC traction applications[5]，用于指導儲能型再生制動能量地面利用系統(tǒng)應用的2部國際權(quán)威標準。

1 國內(nèi)外儲能標準分類

1.1 按面向?qū)ο髣澐?/h3>

面向?qū)ο?，也就是標準的受眾，通常可以分為儲能元器件制造商、變流設(shè)備制造商、系統(tǒng)設(shè)備制造商、設(shè)計單位、建設(shè)單位、施工單位、運營單位等，國內(nèi)外儲能標準按照上述原則可劃分為：

1) 面向儲能元器件制造商的標準。如 GB?T 34870.1-2017《超級電容器 第 1 部分：總則》[6]，GB?T 36276-2018《電力儲能用鋰離子電池》[7]，GB?T 22473-2008《儲能用鉛酸蓄電池》，GB?T 32509-2016《全釩液流電池通用技術(shù)條件》等。

2) 面向變流設(shè)備制造商的標準。如GB?T 34120-2017《電化學儲能系統(tǒng)儲能變流器技術(shù)規(guī)范》[8]，GB/T 34133-2017《儲能變流器檢測技術(shù)規(guī)程》等。

3) 面向系統(tǒng)設(shè)備制造商的標準。如GB?T 36558-2018《電力系統(tǒng)電化學儲能系統(tǒng)通用技術(shù)條件》[9]，GB/T 34131-2017《電化學儲能電站用鋰離子電池管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》等。

4) 面向建設(shè)及運營單位的標準。如GB?T 36549-2018《電化學儲能電站運行指標及評價》[10]，GB?T 36547-2018《電化學儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》等。

5) 面向設(shè)計及施工單位的標準。如 GB 51048-2014《電化學儲能電站設(shè)計規(guī)范》[11]，美國標準NFPA 855-2020Standard for the installation of stationary energy storage systems[12]等。

1.2 按功能劃分

根據(jù)標準的不同功能，大致可以分為制造類標準、使用類標準和安全性標準3類。

1) 制造類標準，主要是對產(chǎn)品生產(chǎn)流程、制造工藝、試驗檢測等方面的約束，大致可與面向?qū)ο蠓诸愔械脑O(shè)備及系統(tǒng)供貨商相對應。

2) 使用類標準，主要是將出廠設(shè)備產(chǎn)品應用于不同行業(yè)設(shè)計、建設(shè)、運營等具體工程中的約束，大致可與面向?qū)ο蠓诸愔械脑O(shè)計、建設(shè)、施工、運營相對應。

3) 安全性標準。儲能技術(shù)的應用，一個非常重要的內(nèi)容就是安全性要求。儲能系統(tǒng)一旦起火，會造成很大的經(jīng)濟損失和人員傷害，另外給消防救援也帶來非常巨大的挑戰(zhàn)。針對上述問題，國際上近幾年頒布了多部專門針對儲能元器件和儲能系統(tǒng)安全性的標準，用以強化對其安全性的約束，舉例如下：

IEC 62619-2017Safety requirements for secondary lithium cells and batteries，for use in industrial applications；

IEC 63056-2020Safety requirements for secondary lithium cells and batteries，for use in electrical energy storage systems；

IFC 2018International fire code-chapter 12 energy systems；

UL1973-2018Standard for safety batteries for use in stationary；

UL9540-2020Standard for safety energy storage systems and equipment；

UL9540A-2020Standard for safety test method for evaluating themal runaway fire propagation in energy storage systems；

CEC-2018Best practice guide-battery storage equipment-electrical safety requirements。

1.3 按行業(yè)領(lǐng)域劃分

儲能技術(shù)在中國的應用領(lǐng)域廣泛，特別是電網(wǎng)和電動汽車領(lǐng)域的標準體系最為成熟完善，資料顯示，已頒布的標準中國家標準51項，行業(yè)標準60項，地方標準48項；全球各主要國家也都在積極探索儲能標準體系的建設(shè)，國際上常用的儲能標準共有14項。

在城市軌道交通儲能領(lǐng)域，可查到的國內(nèi)外標準包括 GB/T 36287-2018《城市軌道交通列車再生制動能量地面利用系統(tǒng)》、IEC 62924(2017-01)Railway applications - fixed installations-stationary energy storage system for DC traction systems、IEEE 1887-2017IEEE guide for wayside energy storage system for DC traction applications等3部。

1.1和1.2節(jié)中提到的儲能標準，雖然不是針對城市軌道交通領(lǐng)域，但很多技術(shù)要求、試驗內(nèi)容及方法、評價標準等內(nèi)容，值得城市軌道交通領(lǐng)域，特別是再生制動利用系統(tǒng)借鑒。例如GB/T 34131-2017 《電化學儲能電站用鋰離子電池管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》是電網(wǎng)行業(yè)針對儲能電站用鋰離子電池管理系統(tǒng)(BMS)的技術(shù)規(guī)范，但其中諸多關(guān)于功能要求、檢驗和試驗項目的條款，均可在城軌超級電容儲能元件管理系統(tǒng)(CMS)中參考使用。

但是，由于行業(yè)特點不同，部分標準的內(nèi)容并不適用城軌應用工況，例如GB?T 34120-2017《電化學儲能系統(tǒng)儲能變流器技術(shù)規(guī)范》中儲能變流器(PCS)定義為“連接于電池系統(tǒng)與電網(wǎng)(和/或負荷)之間的實現(xiàn)電能雙向轉(zhuǎn)換的變流器”，城軌牽引網(wǎng)為DC 1 500 V或DC 750 V電壓制式，對于電池或超級電容等儲能介質(zhì)，儲能變流器需采用DC/DC變換型，與電網(wǎng)逆變上網(wǎng)+整流下網(wǎng)的使用方式不同。

2 城市軌道交通儲能系統(tǒng)的定義及構(gòu)成

關(guān)于儲存型再生制動能量地面利用系統(tǒng)的定義，GB/T 36287-2018《城市軌道交通列車再生制動能量地面利用系統(tǒng)》第 3.2條給出，將列車制動時注入直流牽引網(wǎng)中的多余制動能量儲存到儲能單元中，需要時再將能量釋放出來供列車使用的能量處理系統(tǒng)。

根據(jù)GB/T 36287-2018中6.3條的規(guī)定，城市軌道交通儲存型再生制動能量地面利用系統(tǒng)是由直流隔離開關(guān)、直流電抗器、雙象限變流器、直流接觸器、儲能單元等部件組成，如圖1所示，此外還應包括測控系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)等。

圖1 儲存型再生制動能量地面利用系統(tǒng)典型拓撲Figure 1 Typical topology for wayside storage system for vehicle braking regenerative energy utilization

直流隔離開關(guān)實現(xiàn)雙象限變流器與直流負極母線的隔離；直流電抗器完成與直流母線的濾波及限流功能；雙象限變流器實現(xiàn)直流電能的雙向流動，從而實現(xiàn)直流電壓升壓或降壓變換功能；直流接觸器實現(xiàn)雙象限變流器與儲能單元間的隔斷、保護功能；儲能單元是直流電能的儲存部分(儲能介質(zhì)有超級電容、電池、飛輪等)。測控系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)完成對整套系統(tǒng)的測量、保護、控制及能量管理等。

需要說明的是，GB/T 36287-2018標準中儲能介質(zhì)特指超級電容器，其他儲能介質(zhì)如飛輪與上述拓撲不同。

3 城軌儲能標準解讀

3.1 GB/T 36287-2018《城市軌道交通列車再生制動能量地面利用系統(tǒng)》解讀

GB/T 36287-2018《城市軌道交通列車再生制動能量地面利用系統(tǒng)》于2018年6月7日發(fā)布，2019年1月1日開始執(zhí)行，該標準由國家鐵路局提出，全國牽引電氣設(shè)備與系統(tǒng)標準化委員會歸口；規(guī)定了城市軌道交通列車再生制動能量利用系統(tǒng)的環(huán)境條件、供電條件、系統(tǒng)構(gòu)成、技術(shù)要求、檢驗辦法、檢驗規(guī)則等內(nèi)容，適用于回饋型、儲存型和混合型再生制動能量地面利用系統(tǒng)。

按照第1部分的標準分類原則，該標準應屬于城市軌道交通領(lǐng)域面向系統(tǒng)設(shè)備制造商的制造類標準。

標準提出的系統(tǒng)環(huán)境條件見表1。

表1 再生制動能量地面利用系統(tǒng)使用環(huán)境條件Table 1 Environmental conditions for wayside system for vehicle braking regenerative energy utilization

表1中的環(huán)境條件可滿足中國大部分地區(qū)的城軌實際使用工況，且與變電所其他供電設(shè)備的環(huán)境要求保持一致。

技術(shù)要求部分是本標準的核心內(nèi)容，該部分分為7.1功能要求和7.2性能要求，性能要求中又可分為通用性能要求和儲能系統(tǒng)的特殊性能要求。

在功能要求中，包括了回收電能功能、穩(wěn)定直流網(wǎng)壓功能、通信功能、數(shù)據(jù)采集、事件記錄及存儲顯示功能、熱待機功能、與車輛配合功能、保護功能、安全聯(lián)鎖功能、調(diào)試功能和計量功能。其中回收電能功能、穩(wěn)定直流網(wǎng)壓功能、熱待機功能、與車輛配合功能屬于整個裝置接入城軌供電系統(tǒng)后的整體功能，其他屬于裝置本身應具備的功能。

在功能要求中，對部分功能的實現(xiàn)描述不太具體，例如與車輛配合功能在標準中描述為：“再生制動能量地面利用系統(tǒng)不應影響列車正常制動工作，如車輛配置有車載電阻制動系統(tǒng)，應考慮與車輛車載電阻制動系統(tǒng)的配合?！钡擒嚒刂g應該如何配合才能達到系統(tǒng)功能，特別是回收電能和穩(wěn)定直流網(wǎng)壓的最優(yōu)，沒有說明條款；再如，計量功能在標準中描述為：“再生制動能量地面利用裝置應能在交流側(cè)或直流側(cè)對回收電能進行計量。”但是，并沒有對計量點設(shè)置位置、具體的計量內(nèi)容和計量精度要求等作出明確規(guī)定。

在性能要求中，標準對整個裝置的電氣性能指標要求做了比較詳細的規(guī)定，能夠較好地指導設(shè)備制造和采購環(huán)節(jié)，主要的電氣性能指標見表2。

表2 再生制動能量地面利用系統(tǒng)主要電氣性能指標Table 2 Main electrical performance index of wayside system for vehicle braking regenerative energy utilization

此外，本標準儲能介質(zhì)特指超級電容器，不含電池、飛輪等。標準中規(guī)定了電容量、等效串聯(lián)內(nèi)阻、高低溫性能、電壓保持能力等超級電容特殊性能要求。但是，標準對裝置的防火及安全性能，僅有對使用材料的定性規(guī)定和儲能元件放電以保證人身安全的要求，缺乏對整個系統(tǒng)特別是儲能元器件安全性的具體描述；對系統(tǒng)整體和內(nèi)部各部分的設(shè)計使用壽命，也沒有條文規(guī)定，這些是標準后續(xù)修訂版本建議更新完善的地方。

標準的第8部分檢驗方法和第9部分檢驗規(guī)則，是對儲能系統(tǒng)型式試驗、出廠試驗和現(xiàn)場試驗相關(guān)方法和內(nèi)容的規(guī)定，標準中對不同儲能系統(tǒng)的試驗項目、檢驗分類、技術(shù)要求和檢驗方法等采用表格的形式一一列出，層次清晰，使讀者一目了然，例如，儲能單元試驗項目見表3。

從表3可見，儲能單元僅在產(chǎn)品的型式檢驗中有4個試驗項目，出廠檢驗和現(xiàn)場檢驗不做要求，并且沒有儲能單元的安全性試驗?？紤]到城軌的實際應用環(huán)境，建議在型式檢驗和出廠檢驗部分，參照 GB?T 34870.1-2017《超級電容器 第1部分：總則》補充如短路放電試驗、循環(huán)壽命試驗、過放電試驗、過充電試驗、穿刺試驗、擠壓試驗、振動試驗、加熱試驗、溫度循環(huán)試驗等試驗項目，其中出廠檢驗可根據(jù)用戶需求做部分試驗內(nèi)容。

表3 儲能單元試驗項目Table 3 Energy storage unit experiments

另外，有資料顯示，之前有發(fā)生過變流器運行時，其噪聲電壓造成電池管理系統(tǒng) BMS的損壞，進而造成整個儲能系統(tǒng)起火的案例。而本標準中缺少針對儲能元件管理系統(tǒng)(CMS)的試驗項目，這也是后續(xù)標準更新建議考慮納入的內(nèi)容。

3.2 IEC 62924(2017-01) Railway applicationsfixed installations-Stationary energy storage system for DC traction systems解讀

IEC 62924是國際電工委員會(軌道電氣化設(shè)備及系統(tǒng))于2017年針對直流牽引系統(tǒng)地面儲能裝置頒布的標準，這是國際電工委員會在該領(lǐng)域的首部標準，面向的對象是用戶及設(shè)備制造商。

標準的架構(gòu)與GB/T 36287-2018類似，由基本定義、系統(tǒng)構(gòu)成、使用條件、技術(shù)要求、檢驗辦法及檢驗規(guī)則等部分組成。但與國家標準不同的是，IEC 62924專門設(shè)置了第6章“Investigation before the installation of stationary ESS”，要求在實際采用之前通過仿真或樣機掛網(wǎng)實測的方式，確定儲能系統(tǒng)的安裝容量、安裝位置，并對節(jié)能效果、與其他系統(tǒng)的配合等做出評估，并且在附錄A中對仿真方法和線路實測內(nèi)容進行了詳盡的規(guī)定；可見，該標準對地面儲能系統(tǒng)的理論分析要求較高，值得借鑒。

該標準在系統(tǒng)構(gòu)成方面，給出了通用的電路拓撲，如圖2所示。

圖2中，ESU表示儲能單元(energy storage unit)，可以是電池、電容或者飛輪；ACTB表示連接儲能單元和直流母線的裝置，ESU和ACTB共同組成儲能系統(tǒng)ESS。與國家標準不同的是，本標準將ACTB分為兩種。

圖2 地面儲能系統(tǒng)通用電路拓撲Figure 2 Common system configuration of stationary ESS

1) 采用儲能變流器作為ACTB，通過對電力電子器件的控制，實現(xiàn)充放電電流、電壓、功率、時間的可控；

2) 不設(shè)置儲能變流器，整個儲能系統(tǒng)的充放電過程不可控，僅靠直流母線和儲能單元之間的壓差實現(xiàn)充放電過程的轉(zhuǎn)換，充放電電流的大小與整個系統(tǒng)的阻抗參數(shù)相關(guān)，且在正負極分別設(shè)置斷路器保證回路安全。

在中國城市軌道交通應用工況中，供電系統(tǒng)阻抗參數(shù)復雜，安全要求高，且需根據(jù)列車運行情況及直流網(wǎng)壓等決定儲能裝置的充放電狀態(tài)；所以，不論從安全可靠性還是從智能化程度考慮，僅設(shè)置斷路器作為ACTB都是無法滿足使用要求的，儲能變流器不可或缺。

在本標準的技術(shù)要求部分，第7.1.1.7條要求儲能系統(tǒng)的充放電過程應遵照執(zhí)行附錄C中的周期循環(huán)工作制，并對典型應用給出了示例和圖示。相對而言，GB/T 36287-2018中僅對斷續(xù)周期工作制和周期峰值功率做出了規(guī)定，詳盡程度不及IEC 62924，表4給出了附錄C中周期循環(huán)工作制儲能系統(tǒng)充放電要求和典型應用。

表4 周期循環(huán)工作制儲能系統(tǒng)充放電要求和典型應用Table 4 ESS duty cycle charge/discharge requirement and typical application

此外，本標準技術(shù)要求的7.1.6條，對儲能單元的壽命做出了明確的規(guī)定，認為對壽命的建模，首先需要明確儲能系統(tǒng)的周期循環(huán)工作制；對于儲能元器件的壽命，可用容量下降、內(nèi)阻上升或循環(huán)充放電次數(shù)作為判定依據(jù)，但具體的數(shù)值標準中沒有明確給出，而是由用戶和制造商協(xié)商確定。

標準的檢驗辦法及檢驗規(guī)則部分和 GB/T 36287-2018基本保持一致，不再贅述。

3.3 IEEE 1887-2017 IEEE guide for wayside energy storage system for DC traction applications解讀

IEEE 1887是國際電氣與電子工程師協(xié)會軌道交通標準委員會于 2017年頒布的標準，用以指導工程師設(shè)計出技術(shù)經(jīng)濟性最優(yōu)的儲能系統(tǒng)方案。標準共分為13章，主要從應用、技術(shù)、經(jīng)濟性、建模仿真、性能、安全性、安裝集成、試驗驗證等方面對地面儲能系統(tǒng)進行了闡釋。不同于GB/T 36287-2018和IEC 62924(2017-01)，IEEE 1887中更多是定性語句的描述，沒有定量的數(shù)值規(guī)定，標準的整體架構(gòu)也與國標和IEC標準有很大區(qū)別，在實際的工程應用中，僅可用于參考。

標準的第4章介紹了城軌儲能系統(tǒng)的應用工況，包括了能量回收，電壓、負荷、頻率調(diào)節(jié)，應急牽引電源，峰值功率抑制等；并且對各種應用條件進行了詳細的定義和說明，例如，能量回收(energy recovery)就是利用儲能系統(tǒng)吸收掉本應車載或地面電阻耗散的能量，且在牽引時釋放這部分儲存的能量。由此可以得出，再生制動能量應優(yōu)先由臨近的牽引車輛吸收，僅在線路其他車輛無法吸收時儲能系統(tǒng)才應介入，不應出現(xiàn)儲能系統(tǒng)“搶能量”的情況。

標準中關(guān)于裝置的經(jīng)濟性專門設(shè)置了獨立的篇章介紹，即標準的第8章“Economic consideration”。該章著重進行了成本—效益分析，即采用“凈現(xiàn)值”(NPV)等方法，考慮通貨膨脹和能源成本上升等因素，在同一時間段范圍內(nèi)(15～30年)對不采用儲能系統(tǒng)和采用進行比較，涵蓋以下內(nèi)容：

1) 建設(shè)期：設(shè)備費；安裝費；接口許可費。

2) 運營期：節(jié)能效益；運行能耗；維保成本。

3) 資產(chǎn)利舊。

4) 報廢費用：設(shè)備退役；設(shè)備回收和處置。

此外，該章還專門針對儲能對牽引站擴容改造、車載或地面電阻的影響進行了分析。儲能系統(tǒng)全壽命周期的經(jīng)濟性分析是一個復雜的問題，結(jié)合中國城軌的實際情況，建議還應增加裝置對車站和隧道通風系統(tǒng)的影響、對列車機械制動系統(tǒng)的影響以及對牽引供電系統(tǒng)的影響等方面的綜合分析。

4 結(jié)論及建議

通過對國內(nèi)外標準的分類，以及對城軌儲能標準的解讀，可以得到以下結(jié)論：

1) 中國電化學電池儲能元器件、儲能系統(tǒng)及應用等全產(chǎn)業(yè)鏈的標準體系完善，而超級電容相關(guān)的標準尚未形成完整的標準體系。

2) 國際標準對于儲能系統(tǒng)的安全性標準更為豐富和嚴苛，且集中在近5年內(nèi)頒布，反映出對儲能系統(tǒng)安全性要求越來越高，中國各標準中雖然對儲能系統(tǒng)的安全性有要求，但仍需強化。

3) 中國電網(wǎng)及電動汽車領(lǐng)域的儲能技術(shù)標準體系成熟完善，城市軌道交通領(lǐng)域的國內(nèi)外標準均較少，應加強標準體系建設(shè)，當前可借鑒其他行業(yè)成熟標準體系的要求，指導城市軌道交通領(lǐng)域儲能系統(tǒng)的工程應用。

4) GB/T 36287-2018《城市軌道交通列車再生制動能量地面利用系統(tǒng)》是城市軌道交通領(lǐng)域地面儲能系統(tǒng)的國標，整個標準思路清晰完整，可以作為工程指導，但部分細節(jié)的要求不夠具體，超級電容的安全性要求不充分，建議在后續(xù)標準版本中完善。

5) IEC 62924(2017-01)Railway applications-fixed installations-stationary energy storage system for DC traction systems中對于理論分析的要求較高，標準中仿真方法和線路實測內(nèi)容、周期循環(huán)工作制的定義以及儲能單元壽命的評價均值得借鑒。

6) IEEE 1887-2017IEEE guide for wayside energy storage system for DC traction applications中應用工況、經(jīng)濟性考慮方面有一定的借鑒價值，其他內(nèi)容定性描述較多，工程可參考性不強。